探索型レスキューロボットの
災害現場対応操作コンソーノレの開発
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嶋津行宣¥平野慎也¥加藤厚生竹
Yukinobu SHIMAZUt， Shinya HlRANOt， Atsuo KATOtt
Abstract: This paper presents a dev巴lopmentof a operation console for our hand made search type
rescue robot AIT. ReBo.1 intend to work in the disast巴rsite. The operation console must have a human interface to control ReBo.1.Shape of developed human interfac巴isball type， about 60mm in diameter and about 200g in total weight.An operator of ReBo.1 holds this ball type human interface on his hand and he can t出 itto arbitrary angle， then ReBo.l makes progressive motion， sid巴windingmotion and stop motion with tilt angle ofholed balL Moreover，the pseudo.force of巴nvironmentalconditions田nsed
by ReBo.l are presented to an operator using vibration motor built in the ball. 1 .はじめに 1. 1 研翼背畳 1995年の阪神淡路大震災， 2004年の新潟中越地震，そ して近年予想されている東海大震災.地震での死者の多く は倒壊した家屋による圧死である.また，火災など二次災 害により命を落すケースもある. 阪神淡路大震災を機に 被災時人々への指示a支援など災害救助に関わるシステム を包括的に管理するレスキューシステムが提案された1)園 十 l -T ! ・ ? l 愛知工業大学大学院工学研究科 (豊田市) 愛 知 工 業 大 学 工 学 科 機 械 学 科 (豊田市) 提案されたレスキューシステムは総合的な災害救助シ ステムであり，多様な災害シミュレータとその中で活動を 行う自律エージェントを分散型救助シミュレータにより 結合することにより，仮想的な災害空間を作り出す. エ ージェントのーっとして，近年大きく進展してきたレスキ ューロボット技術の応用が期待されている.レスキューロ ボットは，大きく分けて「探索型」と「救助型」の2種類 に分かれる.探索型レスキューロボットは，人が入ってい けないような狭い場所で被災者を探索し，レスキュー隊等 に居場所を伝える役目を担うロボットである.救助型レス キューロボットは，探索型レスキューロボットなどの情報 を元にし，災害現場の瓦磯を撤去し，被災者を救助する役
愛知工業大学研究報告，第41号B，平成18，Vol.41-B， Mar， 2006 目を担うロボットである. 本研究室では，探索型レスキューロボットの研究を行 っている. 災害現場は常に安定した状況ではなく，時間 経過とともに二次災害などにより変化するため，これに応 じて適応するロボットの形状も変わる.そのため，我々は 形態組み換え可能なユニット型ロボットの研究を進めて おり，その一環としてユニット構造を用いた探索型レスキ ューロボットAIT-ReBo.l(以下R巴BO.lと記す)がある. 外観を図1に示す. 図1 探索型レスキューロボットR怠:&.1 車輪やクローラや脚等の移動機構を持つロボットでは， 大型になり，複雑な制御装置を要するためコストが増大す る.そこでReBo.lは車輪やクローラや脚等の移動機構を 持たない構造どし，ユニットに内蔵する能動関節を屈伸し て体幹に進行波を作り，これと接地面との摩擦によって推 進力を得て移動する.進行波の伝播方向を変えることによ り， ReBo.lの進行方向を容易に転換することができる. ReBo.lを操作するには、コンソーノレを考えなければな らない.ReBo.lが災害現場で完全自律移動し3 人命発見 作業をさせるのが最終目的であるが，現状では困難である. そのためReBo.lを遠隔操作する操作コンソールが必要で ある.コンソーノレとは操作用の表示装置や操作装置の総称 である 表 示 装 置 に は デ ィ ス プ レ イ や E日1D(Head Mount Display)などがあり，操作装置にはマウスやキー ボードなどのヒューマン・インターフェイスがある. 1圃 2 萌費目的 本研究では、災害現場対応操作コンソールとしてヒュー マン・インターフェイスの開発を行った.ここでの着眼点 は，探索型レスキューロボットと同様にヒューマン・イン ターフェイスも災害現場へ容易に持ち運びでき，ユーザの 誰もが把持できる小型・軽量で，かっ操作性に関しでも熟 練度にかかわらず誰もが操作可能とすることで¥災害現場 での使い勝手を良くするまた被災者の早期発見のため一 斉に大量投入されるべきR巴BO.lの個数に対応し，それに 対応する個数のヒューマン・インターフェイスを用意しな ければならないE そのため，安価でなければならない. 機能に関しては， ReBo.lを災害現場の外部から遠隔操 作するための無線ネットワークを確保する通信モジュー ノレが必要である.またReBo.lへの関節指令値を計算する 制御コントローラが不可欠である.これらの条件を満たす 新しいヒューマンーインターフェイスの開発を本研究では 行った. 2固片手曙持型ヒューマンuインターフヱイス 2固 1 錐来
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覇露関露 ヒューマン@インターフェイスの研究開発は様々な分野 で行われている.福祉の分野では高齢者，障害者の生活の 質を向上するとともに、介護者の負担軽減を図る研究が行 われている. 高見らのは階段の側壁に予めガイドレール を設置し，電動車椅子を自動定行誘導し階段を昇降するシ ステムを開発した.この研究では介護者の負担を軽減する ためにヒューマン。インターフェイスが有効活用されてい る. ゲーム，アミユース、メント分野でもヒューマン・イ ンターフェイスの研究開発が行われている.コンヒcュータ への入力装置として現在市販されている装置の代表とし てジョイスティックやジョイパッドなどがある.これらの 構造はポテンショメータによる 3軸の角度センサの値と ボタンスイッチのON-OFFをコンビュータで処理してい る.これらの装置はおおむね，ユーザが簡単に操作しやす いことを主眼とし，加えて高臨場感を与える機能としてそ ータを使用した力覚フィードパックを実現しているもの もある.またその汎用性により，しばしばロボットの操作 装置として使われている. ロボット分野でのヒューマ ンーインターフェイスの研究開発も盛んに行われている. 電気通信大学の松野ら 3)は本研究同様レスキューロボッ トとレスキューシステムの開発を行っており，レスキューロボットを遠隔操作するのにロボット搭載カメラからの 画像反映と自動車のインターフェイスを一緒に用いたレ スキューシステムを確立したとしている. しかし，どの 研究開発品や市販品でも実際の災害現場で実用可能であ る保証はない.また，従来の研究では特別な訓練と技術を 必要とする複雑なものが多い.そのため，災害現場で従来 のヒューマン園インターフェイスを用いて生存者の情報収 集などを行う時は，多数の熟練したオベレータが必要とな る.しかし，その人達を集めるのはとても困難であり，探 索効果を高めるためレスキューロボットを災害現場へ一 斉に投入する上で障害となる可能性が高い.もう一つの問 題点はヒューマンeインターフェイスの大きさである.本 研究では一箇所の災害現場に止まらず多くの現場で探索 型レスキューロボットを動かすことを目的左している.そ のため持ち運びなどの移動の容易色操作の習熟に要する 時間，価格の低廉を考えなければならない. 2. 2. 外観 関
2
外観 従来の研究開発を基に小型a軽量で操作が容易なヒューマ ン・インターフェイスを開発した。タ悼見を図2に示す。 外形は球型であり片手で把持する形にした.球型にした 理由は最も把持しやすい形の一つであり，また安定性が高 いことによる.外形には指のくぼみをつけて把持しやすく し，かっ方向定位を容易にした.直径は約 60mmと小型 である.総重量も約200gと軽量である. 開 発 し た ヒ ュ ーマン・インターフェイスを把持している様子を図3に示 す. 圏3把持したヒューマンaインターフェイス 2. 3 システム韓民主 片手把持型ヒューマン・インターフェイスは，形状をボ ーノレ型とし，任意に傾けることでR
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を操縦する.傾 き角度を検出するために静電容量型3軸加速度センサを 使用した.このセンサを内蔵した片手把持型ヒューマン@ インターフェイスを任意に傾けると，加速度センサの三軸 から重力加速度の分力がアナログ電圧として出力される. これをCPUでA/D変換したのち重力加速度の方向に対 するぞンサの傾きを算出する.つぎに，傾きに対応したR
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の動作コマンドを設定し3 さらに関節角度指令値 を算出して無線通信でR
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へ伝送する. 図4
に全体 のシステム構成を示す. 片手摺持型 ヒューマン mインターフェイ 函4
全体のシステム構成 三軸加速度センサの出力には高周波ノイズが含まれる. このノイズを除去する目的で 2次ローパスフィノレタを用 いた.また出力は各軸とも lOOmVlG と小さく，電源電圧 が 3.3V のときセンサ出力は+lG~'lG 間で三軸とも約 1 4V~ 1. 7Vであり，ダイナミックレンジは約 O. 3Vであ る 加えて， CPUに内蔵されるAlD
コンパータの変換可愛知工業大学研究報告，第41号B，平成18，Vol.41-B， Mar， 2006 能範囲は O~3. 3Vである.そのため出力信号を増幅し， 最適ノくイアスをかけた.以上の信号処理は全てハードウェ アで、行っ?と， 2. 4 入力構号揺理 センサからの入力信号は，アンプを通して増幅された後 CPUの
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変換ポートへ入力される.ここでアナログ信 号からディジタル信号への変換をする.ディジタル信号に 変換された出力値は電圧値のため，式(1)により重力分 力値に換算した.この処理を行うため三軸それぞれに対し て， +lg， Og， -lgにおける出力電圧を測定し定数として 定義した.2
(v
-B)
g n [ G I = ( l )
ll~ ~C
-A
G:重力単位
n各 軸
(X
、
y，
Z)
A:
ー1
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の加速度センサ電圧
[
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]
B: Ogの加速度センサ電圧
[
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]
C :+lg
の加速度センサ電圧
[
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]
V:
測 定 値
[
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式 (1)により各軸の値が重力加速度分力へ変換される. ここから重力加速度方向に対する各軸の傾きを求める.例 として図 5に X-Y平面での傾きを示す，図 5のように平 面上の直交する 2軸に式(1)により求めた重力加速度分力 gx， gyがあるとき，B xyの値は式 (2)より求められる.X
[
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]
[
G
]
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，" 皐司 図5 X
圃Y
平面
θ =tan-l~
(2)g
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この手法が有効かどうかを検証するためY
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平面，z
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平面での重力加速度方向の角度値を測定した.理論値には， 実際の角度(
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を使用した.子Z
平面での理論値と実 測値での偏差を図6に，z
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平面での理論値と実測値での 偏差を図7に示す. 20唱 15量 10% 5冒 昌 樹 日覧 騒 -5% -10覧 -15% -2回覧 -1自o' -5自. 自。 50' 10日・ 角11('・1 図(}Y
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平面での理論値と実測値での偏差 20盟 15首 1日首 5事 百巴 割 自首 陸 軍 -・5唱 ー1自首 -15国 -2目!見 -1日目. -50' 自. 50' 10自e 角度{・} 園7 Z圃玄平面での理論値と実測植での偏差 2つの結果より理論値と実測値で、の値の偏差はフルス ケーノレで、10%以下となる結果を得た. これにより，実用 上支障の無い角度偏差に収まるものと考え，片手把持型ヒ ューマン・インターフェイスの操作方法を考察した. 2. 5 片手担持型ヒューマン園インターフェイスの 握作 片手把持型ヒューマン・インターフェイスをどの方向 に傾けた時にR
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1
をどのように動作させるかを考える.R
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の動作には前進，後退と左右への平行移動がある これらに対応して片手把持型ヒューマン・インターフェイ スを操作する.片手把持型ヒューマン・インターフェイスの操作方法として手首を前後に傾ける，左右に傾ける，お よび手首を水平に保ったまま維持する，の3種類の操作方 法を採用することとし，これを Rebo.lの動作と関連付け る.まずヒューマン・インターフェイスを把持する基準角 度として重力加速度の方向を選び，これを0度としてその 土30度(deg:re巴)を Rebo.lの停止範囲とした Rebo.lの前 進動作には把持した状態で基準角度から手首を前に傾け ることとし2後退には逆に手首を後ろにそり上げることと した.左方向への平行移動には，手首を左に傾け，右への 平行移動には手首を右に傾けることとした. これらの動 作の様子を図8に示す. 右移動 友移動 得 田 植 田 盟 国 園 田 盟 国 国 争 園8片手把持型ヒューマン・インターフェイスの動作方法 3. !霊境構報のフィードパック 3. 1 フィードパック鵠龍 ReBo.lに搭載したカメラやセンサの情報を操作者へ提 示する方法は多様である.たとえば外部
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やモニタなど のディスプレイ装置に視覚情報として提示する方法があ り，また音響を出して聴覚提示する方法がある.しかしこ こでは、災害現場における煩雑性と予想される喧騒を考慮 して規覚、聴覚を避け，手への力覚として情報提示する可 能性を検討した.本研究では片手把持型ヒューマン・イン ターフェイスに振動モータを搭載し， Reboに搭載された センサ信号の値がフィードパックされた時に擬似的な力 覚フィードパックを提示することとした. 片手把持型ヒューマン・インターフェイスでは内部構成 上、極力小型化する必要があるそこでカフィードパック 素子として振動モータを採用した.振動モータを選定した のは，小型軽量であることや，操作者に十分な振動を提示 できることにある.モータを3つ搭載し，回転軸が互いに 直交するように配置した.この様子を図9に示す. 盟事 回転軸を直行にした握動モータ記置図 3. 2.t
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華蕗翼験と鯖畢の韓酎 振動モータが発生する振動をどのくらいの精度で人聞 が感知できるかを感応検査により検証した.感応検査には 11人の被験者に試みてもらった。 検証 1として正回転 (CW) と逆回転 (CCW) が区別 できるかを実験した.この検証には剥きだしの振動モータ と片手把持型ヒューマンーインターフェイスに内蔵した場 合を比較検証した。この検証を行った目的は振動モータの 正，逆回転の判別が可能ならば少ないデバイスで多彩な表 現ができることによる. 検証2として3個までの振動モータを使用し，それぞれ に正回転だけの ONとOFF信号をランダムに与え， 振 動個数を問うとともに， 2個のモータを振動させた時にど のそータが振動しているかを検証した.この検証の目的は 直交配置したモータでONとOFFの判5.llJ
が可能であれば， より多様な情報表現ができるものと考えたことにある. 検証 3としてモータの回転数による振動変化の判別能 力を調べた.回転数は感覚的な高速と低速を選び， 3個の モータそれぞれにデューティー比の違う 2種類の PWM 信号をランダムに与えて駆動する方法を採った. 表1に検証 1の結果，表 2に検証 2の結果，表 3に検 証3の結果を示す。愛知工業大学研究報告，第41号s，平成18，Vol.41-B， Mar， 2006 議
1
検証結果1 田転方向の識別 騒動モ-~のみ。
1
1
肉離した時
10 嚢2
検証結果2 囲転個数の識別回転させた個数
正解率
90%2
58%3
72%平均正解率
70. 80% 嚢3 検証結果3 握動強調の識別平 均 認 識 率 ￨
誤認率
8
3
.
3
九I
1
6
.
7
弘 検 証1の結果から、大多数の被験者は正，逆回転に関し ては識別不能で、あったので、回転方向を片方向に限定する こととして以下の検証を行った. 検証2の結果から，回転する振動モータの個数について は全体の平均正解率 70%と高い認識率を得た.中でも 1 個と 3個の正解率は高かった.しかし2個を同時に回転し た場合は1個もしくは 3個と誤認する場合が多く，有意な 正解率を得ることはできなかった.また，データを示して はいないが， 2個の振動モータを回転させた時，振動を発 生する個体を識別することはほとんど不可能であるとの 結果を得ている. 検証結果3から 3個までの振動モータを高速と低速で 回転したときその平均認識率は 80%を超えており高かっ たことから，振動の強弱を識別できることが分かつたー 以上の結果から，振動モータを片手把持型ヒューマン・ インターフェイスに搭載する場合，同じ規格の3個のモー タを使うならば，回転方向を一定として1個もしくは 3個 のそータを 2種類の回転速度で駆動すれば 4種類の情報 を人間に提示できるとの結論に達した. 4. 翼験 4. 1 闘部構成 開発した片手把持型ヒューマン・インターフェイスの内 部構成図を園1
0
に示す.機能を3
分割した.それぞれを 図1
1
に示す.第1
はそータ駆動部でありモータドライパ と モ ー タ を 実 装 し て い る . 第 2はCPU
部 で あ り H8/3694Fを実装している.第 3はマザーボード部であり 表面に加速度センサからの信号増幅回路を，裏面には無線 ユニットWiportを実装している.バッテリーは，リチュ ームボリマー電池を使用した 圏1
0
内部の全体構成 H UP
E
n u
マザーボードと
バッテリー
モータと
モータドライパ
図1
1
機能別部位 4. 2 動作襲験と鯖果 システムを使用して動作実験を行うー対象とするロボ ットとして探索型レスキューロボットRebo.lを採用した.まず片手把持型ヒューマン・インターフェイスを前方に傾 け， Rebo.1を前進動作させている様子を図 12に示す.① が停止，② ⑤が前進，⑥が再び停止である. 停止 前進 停止 国12 前進動作 次に後退動作させている様子を園13に示す.①が停止， ② ⑤が後退，⑤が再び停止である. 停止 後退 停止 図13 後退動作 さらに
